LightChaserRing

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Jahr	2019/2020
Anzahl Pixel	20/30
Graustufen / Farben
Leuchtmittel	LED
Leistungsaufnahme	3V
Kontaktperson	Arne Rossius
Projekt-Website

Der Light Chaser Ring (Lauflicht-Ring) ist das Ergebnis des Versuchs, ein möglichst langes LED-Lauflicht mit nur zwei Logik-ICs (und ohne zusätzliche Halbleiter) zu bauen. Es gibt zwei Versionen: den 20-LED-Ring und den 30-LED-Ring.

20 LEDs

Der 20-LED-Ring ist die erste Version. Er verwendet einen Dezimalzähler 74HC4017 und ein Vierfach-NAND-Gatter 74HC00, wobei zwei Gatter als Oszillator und zwei weitere als Toggle-Flip-Flop verschaltet sind.

Der Oszillator besteht aus IC2A, IC2B, R5 und C3. Üblicherweise wird für diese Oszillatorschaltung noch ein zusätzlicher Widerstand für den Eingang des ersten Gatters (IC2A Pin 1) verwendet. Es wurde jedoch experimentell verifiziert, dass der Oszillator auch ohne diesen Widerstand zuverlässig funktioniert. R5 und C3 bestimmen gemeinsam die Frequenz, ein zu großer Kondensator sollte allerdings aufgrund des weggesparten Widerstands vermieden werden. Der Ausgang des Oszillators dient als Takt-Signal für den Dezimalzähler IC1. Dieser Zähler stellt 10 Ausgänge zur Verfügung, von denen immer nur einer aktiv (high) ist. Bei jedem Taktimpuls schaltet das IC auf den nächsten Ausgang weiter, nach Ausgang Q9 springt es auf Q0 zurück.

IC2C und IC2D sind zusammen mit R1 bis R4, C1 und C2 als Toggle-Flip-Flop verschaltet. Dieser Typ Flip-Flop wechselt bei jedem Taktimpuls zwischen zwei Ausgangszuständen, wobei immer ein Ausgang high und der andere Ausgang low ist. Der Zustandswechsel findet bei bei einer fallenden Flanke am Eingang statt. Der Eingang ist mit Q9 des Dezimalzählers verbunden, so dass das Flipflop bei jedem Wechsel von Q9 auf Q0 umgeschaltet wird.

Am Zähler-IC sind zwei LED-Gruppen zu je 10 LEDs angeschlossen. Die LED-Gruppe am Flip-Flop-Ausgang, der gerade low ist, ist aktiv; die LEDs der anderen Gruppe erhalten ein high an den Kathoden und können daher nicht leuchten.

Der Strom durch die LEDs wird durch einen Vorwiderstand für die gesamte Schaltung R6 begrenzt. Die Betriebsspannung der Schaltung liegt daher bei der Vorwärtsspannung der gerade leuchtenden LED, welche je nach Farbe zwischen 2 V und 3 V liegt (1.6 V bei roten LEDs der ersten Generation). Die ICs müssen daher aus einer Logikfamilie stammen, die mit 2 V Betriebsspannung noch funktioniert. Die 74HC-Familie ist für einen Betriebsspannungsbereich von 2 V bis 6 V spezifiziert.

Rev. 1.0

Mit axialen LEDs (gewöhnliche Montage auf der Platinenoberfläche).

• Schaltplan (PNG)
• Schaltplan (EAGLE 4.x)
• Platinenlayout (EAGLE 4.x)
• Bausatz-Anleitung Rev. 1.0 (englisch)

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Rev. 1.1

Mit radialen LEDs auf der Platinenkante.

• Schaltplan (PNG)
• Schaltplan (EAGLE 4.x)
• Platinenlayout (EAGLE 4.x)
• Bausatz-Anleitung Rev. 1.1 (englisch)

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Das Platinenlayout dieser Variante eignet sich auch zum Selberätzen (siehe Foto), Folgendes ist dabei zu beachten:

• Das Layout sollte direkt aus EAGLE gedruckt werden. Die folgenden Einstellungen führen zu gespiegelt gedruckten Lagen zum Aufbügeln oder Belichten:
  • Oberseite: Lagen 1, 20, 116 und 201, Druckeinstellungen: Black, Solid, Mirror.
  • Unterseite: Lagen 16, 20, 116 und 216, Druckeinstellungen: Black, Solid.
• Es sind 4 Drahtbrücken erforderlich (dicke Leiterbahnen zwischen zwei Vias, 2 auf der Ober- und 2 auf der Unterseite). Alternativ können die Vias natürlich auch durchkontaktiert werden.
• Viele Bauteile müssen aufgrund der fehlenden Durchkontaktierungen auf beiden Seiten angelötet werden. Da man unter IC-Fassungen nicht an die Lötstellen herankommt, müssen die ICs ohne Fassung eingelötet werden.

30 LEDs

Diese Version verwendet einen anders aufgebauten Oszillator, der anstelle eines einzigen Signals eine Folge von 3 Signalen erzeugt. Auf diese Weise kann der Oszillator nacheinander drei verschiedene LEDs aufleuchten lassen, bevor der Dezimalzähler weitergeschaltet wird. Der Oszillator ist ein Ringoszillator, der durch R-C-Glieder verlangsamt wird. Da er aus einer ungeraden Anzahl invertierender Gatter besteht, gibt es keinen stabilen Zustand, der Oszillator läuft also garantiert an. Da beim Einschalten noch alle Kondensatoren entladen sind, würde der Oszillator ungeachtet der Kondensatoren mit mehreren MHz oszillieren, die Frequenz wäre allein von der Laufzeit der Gatter bestimmt. Der zusätzliche 10 kΩ-Widerstand sorgt für ein kleines Ungleichgewicht, so dass die Kondensatoren nach ein paar 100 ms ausreichend unterschiedlich geladen sind und der Oszillator sich auf die Soll-Frequenz verlangsamt. Dieser Effekt sorgt dafür, dass beim Einschalten für eine kurze Zeit scheinbar alle LEDs gleichzeitig, tatsächlich aber mit sehr hoher Frequenz nacheinander aufleuchten.

Der Oszillator funktioniert nicht mit allen 74HC00-ICs. Ein IC von ST, Herstellungsjahr 1995, funktionierte in meinem Testaufbau einwandfrei, TI-ICs aus aktueller Produktion (ca. 2020) führten hingegen zu hochfrequenten Oszillationen an den Flanken, so dass der Dezimalzähler wie zufällig umhersprang. Das Problem lässt sich beheben, indem anstelle des 74HC00 (NAND-Gatter) ein 74HC132 (NAND-Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen) verwendet wird. Da die Kondensatoren aufgrund des Schmitt-Trigger-Effekts stärker umgeladen werden mússen sinkt die Frequenz deutlich, kann jedoch falls gewünscht durch Verringern der 1 MΩ-Widerstände wieder erhöht werden. Die 3 Widerstände sollten alle den gleichen Wert haben, sonst leuchten die LED-Gruppen an den 3 Oszillator-Ausgängen unterschiedlich lange. Das Gleiche gilt für die 3 Kondensatoren.

Rev. 1.x

LEDs können beidseitig axial oder radial montiert werden.

• Schaltplan (PNG)
• Schaltplan (EAGLE 4.x)
• Platinenlayout (EAGLE 4.x)
• Bausatz-Anleitung Rev. 1.1 (englisch), für Platine Rev. 1.1
• Bausatz-Anleitung Rev. 1.0 (englisch), für Platine Rev. 1.0 mit Layout-Fehler

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